Who Is Who
Who Is Who

    dr hab. inż. Michał STYP-REKOWSKI
    msr@atr.bydgoszcz.pl

    BADANIA TRIBOLOGICZNE
    NA WYDZIALE MECHANICZNYM
    AKADEMII TECHNICZNO-ROLNICZEJ W BYDGOSZCZY

    1. Geneza

    Jako początek czynnego udziału bydgoskiego ośrodka naukowego w badaniach tribologicznych można przyjąć końcowe lata siedemdziesiąte ubiegłego stulecia. Fakt ten związany jest z podpisaniem długoletniej współpracy między Wydziałem Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolnicznej w Bydgoszczy a Zakładami Rowerowymi ROMET istniejącymi w tamtym czasie w naszym mieście. Zakres współpracy był bardzo szeroki i dotyczył zagadnień konstrukcyjnych, technologicznych i eksploatacyjnych pojazdów jednośladowych (motorowerów i rowerów). Jeden z tematów tej współpracy dotyczył wewnętrznych strat energetycznych w rowerach produkowanych w ROMECIE. Były one większe w porównaniu do rowerów innych, zagranicznych producentów. Ponieważ te popularne pojazdy jednośladowe napędzane są energią mięśni ludzkich cecha ta uznawana jest jako nadrzędna w zagadnieniu jakości rowerów. W badaniach realizowanych w ramach wspomnianej współpracy w Zakładzie Podstaw Konstrukcji Maszyn podjęto badania optymalizacyjne węzłów kinematycznych mających największy udział w sumarycznych stratach energetycznych. Jednymi z nich okazały się węzły łożyskowe roweru i właśnie optymalizacji cech konstrukcyjnych łożysk rowerowych przy kryteriach eksploatacyjnych, dotyczyły pierwsze badania tribologiczne prowadzone w ośrodku bydgoskim.
    Wyniki przeprowadzonych badań wdrożono do praktyki przemysłowej poprawiając w ten sposób jakość rowerów. Obniżono także koszty wytwarzania elementów łożysk rowerowych zmieniając ich proces technologiczny. Działania te nie pomogły jednak zakładom ROMET, które zlikwidowano w latach dziewięćdziesiątych w wyniku niezrozumiałych decyzji.
    Przeprowadzone badania zostały opublikowane w licznych publikacjach krajowych i zagranicznych. Wyniki badań wykorzystano także w pozytywnie zakończonym przewodzie doktorskim (Michał STYP-REKOWSKI: Wpływ wybranych cech konstrukcyjnych specjalnych łożysk tocznych na wewnętrzne opory ruchu w pojazdach jednośladowych, promotor: doc. dr hab. inż. Antoni F. Budzyński, Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Energetyczny, Gliwice 1985).

    2. Dzień dzisiejszy

    2.1. Tematyka badań
    Z biegiem czasu zakres badań tribologicznych stopniowo ulegał rozszerzeniu. Rozszerzał się też zespół osób zainteresowanych tą tematyką. Obecnie na Wydziale Mechanicznym ATR badania tribologiczne realizowane są głównie w Zakładzie Obrabiarek i Robotów i dotyczą dwóch zagadnień:
  • specjalnych łożysk tocznych,
  • transformacji warstwy wierzchniej pod wpływem wymuszeń zewnętrznych.
    Prowadzone w zakresie specjalnych łożysk tocznych badania są rozszerzoną kontynuacją wcześniejszych prac. Ze względu na cechy konstrukcyjne łożyska stosowane w rowerach zaliczono bowiem do grupy łożysk specjalnych. Badania dotyczą zagadnień konstrukcyjnych łożysk specjalnych a ściślej - optymalizacji ich cech konstrukcyjnych (przede wszystkim: geometrycznych i materiałowych). Uwzględnienie w procesie konstrukcyjnym łożysk przewidywanych warunków ich pracy znacznie rozszerza zbiór tworzyw konstrukcyjnych możliwych do wykorzystywania w procesie wytwórczym elementów łożysk specjalnych: od bardzo twardej ceramiki technicznej poprzez różne gatunki stali do tworzyw sztucznych. Optymalizacja cech konstrukcyjnych łożysk przy użyciu kryteriów eksploatacyjnych umożliwia zaprojektowanie łożysk specjalnych zapewniających uzyskanie w określonych warunkach ich pracy oczekiwanych cech użytkowych. Istniejące współcześnie systemy produkcyjne pozwalają na ekonomiczną realizację niezbędnych procesów technologicznych nawet w skali jednostkowej - możliwa jest więc praktyczna realizacja obserwowanego trendu: odpowiednia maszyna do określonych warunków jej pracy.
    Na podstawie badań z tego zakresu opracowano oryginalną metodę określania trwałości specjalnych łożysk tocznych w oparciu o obserwacje wybranego (istotnego dla danego zastosowania) parametru eksploatacyjnego.
    Badania z tego zakresu prezentowano na wielu konferencjach, publikowano je również w licznych źródłach: krajowych i zagranicznych. Rezultaty badań teoretycznych i doświadczalnych z tego zakresu stanowiły podstawę pozytywnie zakończonego przewodu habilitacyjnego (Michał STYP-REKOWSKI: Znaczenie cech konstrukcyjnych dla trwałości skośnych łożysk kulkowych, Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań 2002).
    Drugi nurt realizowanych badań tribologicznych dotyczy transformacji warstwy wierzchniej (WW). Analizowana jest technologiczna WW (TWW) w aspekcie uzyskiwanych w różnych procesach i operacjach cech tribologicznych. Monitorowana jest także transformacja eksploatacyjnej WW (EWW) pod wpływem wmuszeń zewnętrznych. Badane są pary kinematyczne zarówno ze stykiem skoncentrowanym jak i rozłożonym.
    Zrealizowane badania umożliwiły opracowanie modeli matematycznych ujmujących relacje między wymuszeniami siłowymi jakie oddziałują na elementy tocznej pary kinematycznej (ze stykiem niekonforemnym) a parametrami opisującymi strukturę geometryczną współpracujących powierzchni (SGP), zmieniającymi się podczas pracy par. Ich znajomość może być wykorzystywana w procesach diagnostycznych a także w prognozowaniu stanu technicznego obiektów technicznych. Na podstawie zrealizowanego cyklu badań z powyższego zakresu opracowano i obroniono dysertację doktorską (Janusz MUSIAŁ: Badania wpływu wybranych obciążeń zewnętrznych na zmiany geometrii powierzchni roboczych łożysk tocznych, promotor: dr hab. inż. Michał Styp-Rekowski, Akademia Techniczno-Rolnicza, Wydział Mechaniczny, Bydgoszcz 2003).
    W kolejnym realizowanym cyklu badań do monitorowania zmian w WW elementów par kinematycznych ze stykiem skoncentrowanym wykorzystuje się parametry drganiowe oraz akustyczne. Znalezienie uogólnionych zależności między przyjętymi w analizach parametrami a wielkościami opisującymi SGP pozwoli na ocenę bieżącego stanu pary oraz prognozowanie trwałości jej elementów.
    Aktualnie prowadzone są również badania transformacji EWW w parach kinematycznych ze stykiem konforemnym. Na podstawie badań doświadczalnych wyznaczany jest zbiór czynników konstrukcyjnych, technologicznych i eksploatacyjnych w istotny sposób wpływających na przebieg transformacji i determinujących skutki towarzyszących jej procesów zużywania. Opracowane zostaną modele matematyczne wiążące badane wielkości. Szczególny przypadek realizowanych obecnie badań z tego zakresu dotyczy oceny wpływu kierunkowości SGP elementów par na ich cechy użytkowe. W wyniku prowadzenia większości obróbek wykańczających elementy maszyn uzyskują charakterystyczną dla danej obróbki lub grupy obróbek kierunkowość struktury i dlatego interesujące wydaje się określenie wpływu parametrów przyjmowanych jako miara kierunkowości na intensywność procesów zużywania towarzyszących pracy par kinematycznych.
      Na Wydziale Mechanicznym ATR badania tribologiczne prowadzone są także w Katedrze Maszyn Roboczych i Pojazdów. Dotyczą one głównie:
    • o wpływu stosowanych materiałów eksploatacyjnych na trwałość maszyn oraz ich niezawodność oraz
    • o zjawisk, a raczej skutków jakie występujące zjawiska powodują w zakresie niezawodności układów hydraulicznych występujących w strukturze maszyn roboczych.
    2.2. Wyposażenie
    Badania prowadzone są głównie na stanowiskach badawczych zaprojektowanych i wykonanych we własnym zakresie do określonego celu przez zespoły realizatorów badań. W przypadku badań łożysk wynika to z podstawowej przyczyny, że są to łożyska specjalne stąd też brak jest typowego wyposażenia do ich badań. W badaniach styku konforemnego współpracujących elementów także wykorzystuje się stanowiska badawcze własnego pomysłu i wykonawstwa, lecz w tym przypadku wynika to ze zbyt małych środków finansowych jakie na ten cel można przeznaczyć.
      Rys. 1. Stanowisko do badania oporów ruchy w specjalnych łożyskach tocznych:
    1. - silnik napędowy,
    2. - zębata przekładnia pasowa,
    3. - zespół obciążania badanych łożysk,
    4. - czujnik pomiarowy,
    5. - obciążniki

    W prowadzonych od wielu lat badaniach łożysk specjalnych wykorzystywane jest stanowisko przedstawione na rysunku 1. Jego ciągle rozwijana i udoskonalana postać konstrukcyjna umożliwia badanie układu dwóch skośnych łożysk tocznych o średnicach pierścienia zewnętrznego Dz ≤ 60 mm przy zmiennych warunkach pracy: obrotach (zależnych od zastosowanego silnika), składowej poprzecznej obciążenia Py Î (0; 500> N i wzdłużnej Px Î (0; 200> N. Istnieje możliwość bieżącej obserwacji wartości oporów ruchu jakie występują podczas pracy łożysk, wykorzystując do tego celu czujnik indukcyjny lub tensometryczny. Przewidziano także możliwość zapisywania ich zmian w czasie. Oryginalna postać konstrukcyjna tego stanowiska badawczego została zgłoszona do Urzędu Patentowego RP.
    Kolejne stanowisko badawcze jakie zaprojektowano i wykonano w ramach badań realizowanych w Zakładzie OiR przedstawiono na rys. 2. Przeznaczone jest ono do badania procesu zużywania zachodzącego w zdefiniowanych warunkach w ciernej parze kinematycznej o konforemnym styku jej elementów.

      Rys. 2. Stanowisko badawcze do monitorowania procesu zużywania w ciernej parze kinematycznej ze stykiem konforemnym:
    1. - układ wymuszający ruch względny próbki i przeciwpróbki,
    2. - układ obciążający,
    3. - przeciwpróbka,
    4. - podstawa z pojemnikiem oleju (próbki są niewidoczne - zanurzone w oleju)

      Warunki współpracy elementów można zmieniać w granicach:
    • prędkość ruchu względnego próbki i przeciwpróbki : v=(0,01÷0,30) m/s,
    • siła docisku współpracujących elementów: F=(0÷150) N co odpowiada wartości nacisków nominalnych: p=1,5MPa,
    • kąt przecięcia się śladów obróbki na próbce i przeciwpróbce: a=(0÷90)°.
    Badaniom można poddawać skojarzenia próbek i przeciwpróbek wykonanych z różnych tworzyw konstrukcyjnych.
    Rezultaty badań pozwalają wnioskować o intensywności procesów zużywania towarzyszących współpracy elementów pary. Jako miarę intensywności przyjmuje się zmiany: parametrów opisujących SGP, masy lub wymiaru liniowego próbek.
    W badaniach tribologicznych wykorzystuje się ponadto aparaturę specjalistyczną będącą na wyposażeniu innych jednostek tworzących strukturę Wydziału Mechanicznego ATR. Do dyspozycji jest więc elektronowy mikroskop skaningowy JSM500, dyfraktometr rentgenowski DRON1.5, staloskop, profilografometr (2D), maszyna pomiarowa, aparat czterokulowy. Wykorzystywana jest także aparatura uniwersalna, np. wagi laboratoryjne, twardościomierze, maszyny wytrzymałościowe INSTRON.
    Braki w wyposażeniu laboratoryjnym stanowią istotną przyczynę ograniczonego zakresu badań tribologicznych realizowanych na Wydziale Mechanicznym.
    2.3. Dydaktyka
    Zagadnienia tribologiczne stanowią także element procesu dydaktycznego realizowanego na Wydziale Mechanicznym ATR. W programach uzupełniających studiów magisterskich (USM) o profilach: Samochody i ciągniki oraz Obrabiarki wykładany jest przedmiot Tribologia, w ramach którego wykładane są wybrane zagadnienia tribologiczne.
    Na profilu Obrabiarki USM realizowane były także magisterskie prace dyplomowe z zakresu tribologii. W ramach jednej z nich wykonano projekt oraz prototyp stanowiska badawczego do wyznaczania współczynnika tarcia tocznego - rys. 3.
      Rys. 3. Stanowisko do wyznaczania współczynnika tarcia tocznego:
    1. - bieżnia o zmiennym kącie nachylenia,
    2. - kulka w położeniu początkowym,
    3. - czasomierz,
    4. - czujnik włączający
      i
    5. - czujnik wyłączający czasomierz

    Na podstawie wyników doświadczeń możliwe jest analityczne określenie wartości współczynnika tarcia w jedno- i dwupunktowym tocznym skojarzeniu kulki z bieżnią. Wymienne elementy stanowiska umożliwiają wyznaczenie wartości tego współczynnika dla różnych geometrycznych cech skojarzenia.

    3. Współpraca z innymi ośrodkami

    Aby rozszerzyć możliwości badawcze bydgoski zespół badawczy współpracuje z innymi ośrodkami, korzystając z ich doświadczenia oraz wyposażenia. Prowadzone są wspólne badania z przedstawicielami Wydziału Mechatroniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokrzyskiej. W rezultacie tej współpracy powstało kilka publikacji naukowych, nie tylko o tematyce tribologicznej.
    Dzięki dobrze układającej się współpracy z Katedrą Automatyzacji Procesów Technologicznych Politechniki Rzeszowskiej badania parametrów SGP, niezbędne do realizacji pracy doktorskiej J. Musiała, wykonano na doskonałej aparaturze badawczej, jaką dysponuje Katedra. Przygotowywana jest także wspólna publikacja dokumentująca współpracę pracowników Politechniki i Akademii.
    Częste bieżące kontakty z przedstawicielami Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej pozwalają na wykorzystanie dużego potencjału intelektualnego pracowników Politechniki przez Kolegów z Bydgoszczy. Konsultowanie prowadzonych w Akademii prac z zakresu tribologii podnosi niewątpliwie ich poziom, przyczynia się także do rozwoju, szczególnie młodych pracowników nauki.

    4.Rezultaty prac badawczych

      Oprócz prac, w wyniku których pracownicy podnosili swój cenzus naukowy (wymieniono je powyżej), rezultatem badań tribologicznych były liczne publikacje. Ciekawsze z nich, opracowane na podstawie zrealizowanych w bydgoskim ośrodku prac, w ujęciu chronologicznym przedstawiono poniżej. Jak z zestawienia wynika na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolniczej zagadnieniami tribologicznymi bezpośrednio lub pośrednio, w sposób ciągły lub okazjonalnie, zajmuje się dosyć liczna grupa osób. Pogrubioną czcionka wyróżniono osoby spoza Bydgoszczy.
    • Budzyński A.F., Styp-Rekowski M.: Wewnętrzne opory ruchu oraz trwałość specjalnych łożysk tocznych. Trybologia nr 4-5, 1986.
    • Styp-Rekowski M., Mikołajczyk T.: Modele systemowe specjalnych łożysk tocznych. Materiały XIII Międzynarodowego Kolokwium „Modele w projektowaniu i konstruowaniu maszyn”. Zakopane 1989.
    • Styp-Rekowski M.: Some Constructional Features versus Exploitational Properties of Special Rolling Bearings. Proceedings of „Japan International Tribologic Conference”. Nagoya (Japan) 1990.
    • Ozimina D., Styp-Rekowski M.: Evaluaton of ZnDTP Tribochemical Reactiviy by means of Electrochemical Simulation. Proceedings of 8th Internatonal Conference on Tribology NORDTRIB'98. Ebeltoft (Danmark) 1998.
    • Styp-Rekowski M.: Problematyka wewnętrznych oporów ruchu w kulkowych łożyskach skośnych. Wydawnictwa Uczelniane ATR. Bydgoszcz 1999 (monografia).
    • Styp-Rekowski M.: Some Aspects of Rolling Friction Resistance in Complex Tribologic Pair. Tribotest (ed. Elsevier) No. 3, 1999.
    • Musiał J.: Wpływ transformacji technologicznej w eksploatacyjną WW na cechy użytkowe łożysk tocznych. Materiały IX Kongresu Eksploatacji Urządzeń Technicznych. Krynica 2001.
    • Styp-Rekowski M., Knopik L.: Polioptymalizacja łożysk tocznych uwzględniająca losowość wyników eksperymentu. Materiały XIX Konferencji „Polioptymalizacja i CAD”. Koszalin 2001.
    • Styp-Rekowski M.: Opory ruchu w łożyskach tocznych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. 1, 2002.
    • Matuszewski M., Styp-Rekowski M.: Significance Meaning of Texture Direction of Surface's Geometric Structure for Course of Wear Process. International Journal of Applied Mechanics and Engineering, vol. 9. Zielona Góra 2004.
    • Ozimina D., Radek N., Styp-Rekowski M.: Modyfikowanie cech warstwy wierzchniej za pomocą obróbki elektroiskrowej. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji. Poznań 2004.
    • Styp-Rekowski M.: Zagadnienia tribologiczne w budowie obrabiarek skrawających. Wydawnictwa Uczelniane ATR. Bydgoszcz 2004 (monografia).

    5. Plany na przyszłość

    Zakres badań tribologicznych realizowanych w ośrodku bydgoskim w niedalekiej przyszłości nie powinien ulec znaczącym zmianom. Wynika to z przewidywanego braku istotnych zmian w zakresie finansowania badań, w tym oczywiście także tribologicznych a także nie spodziewanego znaczącego rozszerzenia zespołu osób zajmujących się tą specjalnością.

    Planowane jest kontynuowanie badań, których celem jest uzyskanie przez ich realizatorów stopni naukowych doktora. Zakończenie wielowątkowego cyklu badań nad transformacją eksploatacyjnej warstwy wierzchniej powinno pozwolić na zredagowanie monografii stanowiącej podstawę do wszczęcia kolejnego przewodu habilitacyjnego.

    Ważnym przyszłościowym aspektem prowadzonych badań tribologicznych jest zwiększenie a właściwie uzyskanie ich aplikacyjności, którą to cechę prowadzone obecnie badania posiadają niestety tylko w niewielkim stopniu lub nie posiadają jej wcale.

    Ciągłym dążeniem przedstawicieli środowiska tribologicznego w Bydgoszczy jest utrwalenie pozycji tribologii w procesie dydaktycznym realizowanym na studiach technicznych. W zakresie dyscypliny Budowa i eksploatacja maszyn znaczenie tribologii jest nie do przecenienia. Jej znaczenie jest istotne od fazy projektowania i konstruowania maszyn, przez ich wytwarzanie aż do etapu eksploatacji. Taka pozycja tribologii nie znajduje niestety odzwierciedlenia w oficjalnych standardach studiów ani w szczegółowych programach studiów o różnych profilach realizowanych na Wydziale Mechanicznym ATR.

All rights reserved
© Wszystkie prawa zastrzeżone